Что такое сопротивление. Ток, напряжение, сопротивление. Закон Ома.

Основное понятие

Еще со времен общеобразовательной школы, а именно такого предмета, как физика, в нашей памяти присутствует информация про удельное сопротивление проводника. Некоторые уже и не вспомнят точного определения, однако на всю жизнь запомнили, что собой представляет данный термин. Рассмотрим более подробно, как звучит определение данного термина – это физическая составляющая, которая характеризует свойства проводящего составляющего, оказывать препятствие при прохождении электроэнергии. Равняется данное значение присутствующему напряжению на концах провода и силе тока, который протекает по данному элементу. В этом конкретном случае мы рассмотрели, от чего зависит сопротивление используемого проводника. Кроме того, на уроках физики предоставлялись специальные формулы, которые позволяли вычислять необходимые значения данной величины, зная лишь отдельные переменные. Если в повседневной жизни большинству это может и не потребоваться, то в ряде исключительных случаев, при проведении самостоятельно ремонтных работ, предоставленная ранее информация может потребоваться. Тем, кто сталкивается с электроэнергией на постоянной основе, требуется знать все сведения о данном значении.

Важно. Ранее мы рассмотрели, что такое сопротивление, однако, чтобы более точно понимать этот термин, следует также рассмотреть дополнительную информацию, а кроме того, порядок вычисления и используемые материалы.

Что такое электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление представляет собой физическую величину, которая характеризует свойства самого проводника не допускать прохождение электрического тока. Как определить величину сопротивления? Выразить ее можно путём отношения напряжения на концах проводника к силе тока, которая протекает по нему.

Электрическое сопротивление проводника возникает в тот момент, когда по нему течёт электрический ток.

Стоит помнить, что чем больше сопротивление проводника, тем меньше он проводит через себя электрический ток, и наоборот.

От чего зависит

Электрическое сопротивление используемых проводников – это не постоянная величина, она зависит от ряда отдельных моментов. Рассмотрим более подробно зависимость данного значения:

Материал, который используется в качестве проводящего элемента для электротока.
Длина, а кроме этого, площадь поперечного сечения используемой проводки, которые присутствуют в цепи.
Порядок соединения резисторов и проводки (параллельное или последовательное совмещение).
Кроме того, выделяется зависимость проводника от температуры, которая присутствует внутри проводящего элемента.
Нагрузка, которая подается от источника питания на концы проводящего элемента, где вычисляется размер.
Сила электрического тока, которая присутствует внутри единой замкнутой цепи, используемой для вычисления значений.
Имеющаяся атмосфера (к примеру, в минусовую погоду и в жаркий день сопротивляемость некоторых материалов отличается).
Возраст используемого источника прохода энергии (как известно, любой материал со временем разрушается, из-за чего его сопротивляемость снижается).

Важно. В качестве проводящих материалов на практике практически всегда используются металлы, так как эти элементы обладают наименьшим размером, что позволяет свободно перемещать по ним электроэнергию.

Сопротивление проводника/цепи.

Термин “сопротивление” уже говорит сам за себя

Итак, сопротивление – физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению электрического тока.

Рассмотрим медный проводник длиной l с площадью поперечного сечения, равной S:

Сопротивление проводника зависит от нескольких факторов:

удельного сопротивления проводника rho
длины проводника l
площади поперечного сечения проводника S

Удельное сопротивление – это табличная величина. Формула, с помощью которой можно вычислить сопротивление проводника выглядит следующим образом:

R = rhomedspace frac{l}{S}

Для нашего случая rho будет равно 0,0175 (Ом * кв. мм / м) – удельное сопротивление меди. Пусть длина проводника составляет 0.5 м, а площадь поперечного сечения равна 0.2 кв. мм. Тогда:

R =0,0175 cdot frac{0.5}{0.2} = 0.04375medspace Ом

Как вы уже поняли из примера, единицей измерения сопротивления является Ом

С сопротивлением проводника все ясно, настало время изучить взаимосвязь напряжения, силы тока и сопротивления цепи.

Понятие электрического сопротивления проводника

Обусловлено определенной способностью веществ и материалов, из которых состоит проводник, оказывать противодействие двигающимся внутри этого проводника заряженным частицам. Во время этого процесса часть электрической энергии может быть преобразована в другие ее виды, например, в тепловую энергию. Основной единицей измерения сопротивления служит .

Суть сопротивления напрямую связана со структурой веществ. В твердых веществах атомы и молекулы имеют поля, крепко связанные между собой. Основой их структуры является кристаллическая решетка. Каждый атом имеет электроны, вращающиеся по его орбитам. Те из них, которые расположены далее всего от ядра, чаще всего отрываются и попадают на рядом расположенные атомы. Они носят название свободных электронов, позволяющих проводникам осуществлять проведение электрического тока.

Закон Ома.

И тут на помощь нам приходит основополагающий закон всей электроники – закон Ома:

Сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению рассматриваемого участка цепи.

Рассмотрим простейшую электрическую цепь:Как следует из закона Ома напряжение и сила тока в цепи связаны следующим образом:

I = frac{U}{R}

Пусть напряжение составляет 10 В, а сопротивление цепи равно 200 Ом. Тогда сила тока в цепи вычисляется следующим образом:

I = frac{10}{200} = 0.05 = 50medspaceмА

Какова причина электрического сопротивления

Причина электрического сопротивления заключается в том, что электроны при своем движении испытывают соударения с ионами металла. Эти соударения производят такой же результат, как и действие некоторой постоянной силы трения, стремящейся тормозить движение электронов.

Если ответ по предмету Физика отсутствует или он оказался неправильным, то попробуй воспользоваться поиском других ответов во всей базе сайта.

Теперь мы можем понять, почему металлы оказывают сопротивление электрическому току, т. е. почему для поддержания длительного тока нужно все время поддерживать разность потенциалов на концах металлического проводника. Если бы электроны не испытывали никаких помех в своем движении, то, будучи приведены в упорядоченное движение, они двигались бы по инерции, без действия электрического поля, неограниченно долго. Однако в действительности электроны испытывают соударения с ионами. При этом электроны, обладавшие перед соударением некоторой скоростью упорядоченного движения, после соударения будут отскакивать в произвольных, случайных направлениях, и упорядоченное движение электронов (электрический ток) будет превращаться в беспорядочное (тепловое) движение: после устранения электрического поля ток очень скоро исчезнет. Для того чтобы получить длительный ток, нужно после каждого соударения вновь и вновь гнать электроны в определенном направлении, а для этого нужно, чтобы на электроны все время действовала сила, т. е. чтобы внутри металла было электрическое поле.

Чем большая разность потенциалов поддерживается на концах металлического проводника, тем сильнее внутри него электрическое поле, тем больше ток в проводнике. Расчет, которого мы не приводим, показывает, что разность потенциалов и сила тока должны быть строго пропорциональны друг другу (закон Ома).

Двигаясь под действием электрического поля, электроны приобретают некоторую кинетическую энергию. При соударениях эта энергия частично передается ионам решетки, отчего они приходят в более интенсивное тепловое движение. Таким образом, при наличии тока все время происходит переход энергии упорядоченного движения электронов (тока) в энергию хаотического движения ионов и электронов, которая представляет собой внутреннюю энергию тела; а это значит, что внутренняя энергия металла увеличивается. Этим объясняется выделение джоулева тепла.

Как образуется сопротивление проводников

Современные воззрения говорят: свободные электроны перемещаются по проводнику со скоростью порядка 100 км/с. Под действием возникающего внутри поля дрейф упорядочивается. Скорость перемещения носителей вдоль линий напряженности мала, составляет единицы сантиметров в минуту. В ходе движения электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки, некая доля энергии переходит в тепло. И меру этого преобразования принято называть сопротивлением проводника. Чем выше, тем больше электрической энергии переходит в тепло. На этом основан принцип действия обогревателей.

Параллельно контексту идет численное выражение проводимости материала, которое можно увидеть на рисунке. Для получения сопротивления полагается единицу разделить на указанное число. Ход дальнейших преобразований рассмотрен выше. Видно, что сопротивление зависит от параметров – температурное движение электронов и длина их свободного пробега, что прямо приводит к строению кристаллической решётки вещества. Объяснение – сопротивление проводников отличается. У меди меньше алюминия.

Сопротивление проводника

Так почему бы все эти свойства не применить также к проводнику? Чем тоньше и длиннее проводник, тем больше его сопротивление электрическому току. Большую роль играет также материал, из которого он изготовлен.

Поэтому, окончательная формула будет принимать вид

В технике до сих пор применяется устаревшая единица измерения удельного сопротивления Ом × мм 2 /м. Чтобы перевести в Ом × м, достаточно умножить на 10 -6 , так как 1 мм 2 =10 -6 м 2 .

Как вы видите из таблицы выше, самым маленьким удельным сопротивлением обладает серебро, поэтому провод из серебра будет наилучшим проводником. Ну а самым распространенными и дешевыми проводниками являются медь и алюминий. Именно эти два металла в основном используются во всей электронной и электротехнической промышленности.

Вещества, которые оказывают наименьшее сопротивление электрическому току и обладают очень малым сопротивлением называются проводниками, а вещества, которые обладают ну очень большим сопротивлением электрическому току и почти его не пропускают через себя, называются диэлектриками. Между ними стоит класс полупроводников.

Электрическое сопротивление тока.

Электрическое сопротивление – физическая величина, которая характеризует способность проводника влиять на электрический ток, протекающий в проводнике.

Обозначение величины: R
Единица измерения: Ом

Результатом проведения экспериментов с проводниками было определено, что взаимосвязь между силой тока и напряжением в электрической цепи зависит так же от размеров используемого проводника, а не только от вещества. Детальнее влияние размеров проводника будет рассмотрено на отдельном уроке.

За счет чего же появляется сопротивление тока? Во время движения свободных электронов происходит постоянное взаимодействие между ионами, входящими в строение кристаллической решетки, и электронами. В результате данного взаимодействия и происходит замедление движения электронов (фактически, из-за столкновения электронов с атомами – узлами кристаллической решетки), благодаря чему и создается сопротивление тока.

С электрическим сопротивлением также связана другая физическая величина – проводимость тока, обратная величина относительно сопротивления.

Основной механизм сопротивления проводников

Ток в проводнике создается направленным движением свободных электронов. Электроны, ускорившись в электрическом поле, продолжают одновременно участвовать в тепловом хаотическом движении, сталкиваясь с нейтральными и заряженными атомами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Излишки приобретенной кинетической энергии электроны отдают (“тормозятся”) более тяжелым по массе атомам (нейтральным и ионизированным).

Таким образом возникает сопротивление однонаправленному движению свободных электронов. Отличия в структуре решеток, размерах и массах атомов разных веществ являются причинами того, что электрические сопротивления проводников могут значительно отличаться друг от друга.

Рис. 1. Столкновения электронов с атомами ограничивают электрический ток в проводнике и создают сопротивление.

Формула как найти

Согласно положению из любого учебного пособия по электродинамики, удельное сопротивление материала проводника формула равна пропорции общего сопротивления проводника на площадь поперечного сечения, поделенного на проводниковую длину. Важно понимать, что на конечный показатель будет влиять температура и степень материальной чистоты. К примеру, если в медь добавить немного марганца, то общий показатель будет увеличен в несколько раз.

Интересно, что существует формула для неоднородного изотропного материала. Для этого нужно знать напряженность электрополя с плотностью электротока. Для нахождения нужно поделить первую величину на другую. В данном случае получится не константа, а скалярная величина.

Закон ома в дифференциальной форме

Есть другая, более сложная для понимания формула для неоднородного анизотропного материала. Зависит от тензорного координата.

Вам это будет интересно Как измерять напряжение

Важно отметить, что связь сопротивления с проводимостью также выражается формулами. Существуют правила для нахождения изотропных и анизотропных материалов через тензорные компоненты. Они показаны ниже в схеме.

Связь с проводимостью, выраженная в физических соотношениях.

Физика 8 класс. Сопротивление. Единицы сопротивления. Закон Ома.

Физика 8 класс. Конспект. Сопротивление
Физика 8 класс. Сопротивление. Единицы сопротивления. Закон Ома.

Задачи на тему Электричество

Сила тока в цепи зависит не только от напряжения, но и от свойств проводников, включённых в цепь. Зависимость силы тока от свойств проводника объясняется тем, что разные проводники обладают различным электрическим сопротивлением.

Электрическое сопротивление – это физическая величина. Обозначается буквой R. За единицу сопротивления принимают 1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряжении 1 В сила тока равна 1 А.

1 Ом = 1В/1А

Применяют также другие единицы сопротивления: миллиом (мОм), килоом (кОм), мегаом (Мом).

1 мОм = 0,001 Ом

1 кОм = 1000 Ом

1 МОм = 1 000 000 Ом

Причиной сопротивления является взаимодействие движущихся электронов с ионами кристаллической решеткой. Разные проводники обладают различным сопротивлением из-за различия в строении их кристаллической решетки, из-за разной длины и площади поперечного сечения.

Закон Ома:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

где I – сила тока в участке цепи, U – напряжение этого участка, R – сопротивление участка.

Сопротивление R – величина постоянная для данного проводника и не зависит ни от напряжения, ни от силы тока. Если напряжение на данном проводнике увеличится в несколько раз, то во столько же раз увеличится сила тока в нем, а отношение напряжения к силе тока не изменится.

Сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.

Удельное сопротивление – это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м, площадью поперечного сечения 1 м2.

Сопротивление проводника

где ρ – удельное сопротивление проводника, l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения.

Удельное сопротивление:

Единицы удельного сопротивления:

1 Ом · м или (1 Ом · мм2) / м

Удельное сопротивление изменяется с изменением температуры.

Пример:
у металлов с повышением температуры удельное сопротивление увеличивается

Из всех металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают медь и серебро – они лучшие проводники электричества.

Большим удельным сопротивлением обладают фарфор и эбонит, их используют в качестве изоляторов.

Для регулирования силы тока в цепи используют специальный прибор – реостат.

Конспект составлен на основании теоретического материала учебника «Физика 8 класс» А.В. Перышкин

Задачи

Скачать конспект:

teoriya_8_soprotivlenieediniczysoprotivleniya

Формулы сопротивления тока.

Рассмотрим зависимость между изученными на последних уроках величинами. Как было сказано, с увеличением напряжения увеличивается в цепи и сила тока, эти величины пропорциональны: I~U

Увеличение сопротивления проводника приводит к уменьшению силы тока в цепи, таким образом, данные величины обратно пропорциональны между собой: I~1/R

В результате исследований была выявлена следующая закономерность: R=U/I

Расписываем получение единицы сопротивления тока: 1Ом=1В/1А

Таким образом 1 Ом являет собой такое сопротивление тока, при котором сила тока в проводнике равняется 1 А, а напряжение на концах проводника 1 В.

Фактически, сопротивление тока в 1 Ом слишком маленькое и на практике используются проводники, которые характеризуются более высоким сопротивлением (1 КОм, 1 МОм и т.д.).

Сопротивление тока, сила тока и напряжение являются взаимосвязанными величинами, которые оказывают влияние друг на друга. Детальнее это будет рассмотрено уже на следующем уроке.

Электрическое сопротивление

Вещество (металл) из которого сделан проводник влияет на прохождение через него электрического тока и характеризуется с помощью такого понятия, как электрическое сопротивление.Электрическое сопротивление зависит от размеров проводника, его материала, температуры:

-чем длиннее провод, тем чаще движущиеся свободные электроны (носители тока) будут сталкиваться на своем пути с атомами и молекулами вещества — сопротивление проводника возрастaет;
— чем больше поперечное сечение проводника, тем свободным электронам становится просторнее, число столкновений уменьшается — электрическое сопротивление проводника уменьшается.

Вывод: чем длиннее проводник и меньше его сечение, тем больше его сопротивление и наоборот — чем провод короче и толще, тем сопротивление его меньше, а проводимость (способность пропускать эл. ток) его лучше.

Упрощенно, зависимость сопротивления проводника от температуры можно представить так: электроны, движущиеся вдоль проводника, сталкиваются с атомами и молекулами самого проводника и передают им свою энергию. В результате проводник нагревается, тепловое, беспорядочное движение атомов и молекул увеличивается. Это еще больше тормозит основной поток электронов вдоль проводника. Этим объясняется увеличение сопротивления проводника прохождению электрического тока при нагреве.

При нагреве или охлаждении проводников — металлов, сопротивление их соответственно увеличивается или уменьшается, из расчета 0,4 % на каждый 1 градус. Это свойство металлов используется при изготовлении датчиков температуры.

Полупроводники и электролиты имеют противоположное свойство, чем проводники — с увеличением температуры нагрева их сопротивление уменьшается.

За единицу измерения электрического сопротивления принят 1 Ом (в честь ученого Г.Ома). Сопротивлению в 1 Ом равен участок электрической цепи, по которому проходит ток в 1 Ампер при падении на нем напряжения в 1 Вольт,

Иногда пользуются величиной обратной электрическому сопротивлению. Это электрическая проводимость, обозначается буквой g или G – Сименс (в честь ученого Э.Сименса).

Электрической проводимостью называется способность вещества пропускать через себя электрический ток. Чем больше сопротивление R проводника, тем меньше его проводимость G и наоборот. 1 Ом = 1 Сим

Производные единицы:

1Сим = 1000мСим, 1Сим = 1000000мкСим.

Когда необходимо посчитать общее сопротивление последовательно соединенных проводников, то удобнее оперировать с Омами. если вычисляется общее сопротивление параллельно соединенных проводников, удобней считать в Симах, а потом преобразовать в Омы.

Наибольшей проводимостью обладают металлы: серебро, медь, алюминий и др., а также растворы солей, кислот и др. Наименьшая проводимость (наибольшее сопротивление) у изоляторов: слюда, стекло, асбест, керамика и т.д…

Чтобы удобнее проводить расчеты электрического сопротивления проводников, изготовленных из различных металлов, ввели понятие удельного сопротивления проводника.Сопротивление проводника длиной 1 метр, сечением 1 мм. кв. при температуре + 20 градусов, это будет удельное сопротивление проводника «p».

Удельные сопротивления проводников некоторых металлов приведены в таблице.

Из таблицы видно: из металлов, наилучшей проводимостью обладает серебро. Но оно очень дорого и в качестве проводников используется в исключительных случаях.

Медь и алюминий — наиболее распространенные материалы в электротехнике. Из них изготавливаются провода и кабели, электрические шины и пр. Вольфрам, константан, манганин используются в различных нагревательных приборах, при изготовлении проволочных резисторов.

Используя провода и кабели в электроустановках, необходимо учитывать их сечение, чтобы предотвратить их нагрев и, как правило, порчу изоляции, а также уменьшить падение напряжения и потерю мощности при передаче электрической энергии от источника до потребителя.

Ниже приведена таблица допустимых величин тока в проводнике в зависимости от его диаметра (сечения в мм.кв.), а так же сопротивление 1 метра провода, изготовленного из разных материалов.

Примеры расчето внекоторых электрических цепей можно посмотреть здесь.

От чего зависит

Сопротивляемость зависит от температуры. Она увеличивается, когда повышается столбик термометра. Это поясняется физиками так, что при росте температуры атомные колебания в кристаллической проводниковой решетке повышаются. Это препятствует тому, чтобы свободные электроны двигались.

Обратите внимание! Что касается полупроводников и диэлектриков, то там величина понижается из-за того, что увеличивается структура концентрации зарядных носителей.

Зависимость от температуры как основное свойство проводниковой сопротивляемости

Электрический ток и сопротивление

В том случае, когда подключен постоянный внешний источник электропитания, создающий электрическое поле, начинает происходить упорядоченное движение свободных электронов из конца в конец внутри проводника. Если бы при этом не было препятствий, то такой проводник обладал бы нулевым сопротивлением и сверхпроводимостью. В отдельных случаях, в условиях сверхнизких температур, удается достичь подобного результата.

В нормальных условиях, при обычной температуре, в проводниках возникают определенные препятствия, затрудняющие свободный проход электронов. Из-за этого и возникает ситуация, получившая название электрическое сопротивление проводника.

Удельное сопротивление разных материалов

Важно отметить, что сопротивление у металлических монокристаллов с металлами и сплавами разные. Значения различаются из-за химической металлической чистоты, способов создания составов и их непостоянства. Также стоит иметь в виду, что значения меняются при изменении температуры. Иногда сопротивляемость падает до нуля. В таком случае явление называется сверхпроводимостью.

Интересно, что под термической обработкой, например, отжигом меди, значение вырастает в 3 раза, несмотря на то, что доля примесей в проном, антикоррозийном и легком составе, как правило, равна не больше 0,1%.

Обратите внимание! Что касается отжига алюминия, свинца или железа, значение в таких же условиях вырастает в 2 раза, несмотря на наличие примесей в количестве 0,5% и необходимости большей энергии на плавление.

Таблица значений составов при температуре 20 градусов Цельсия

В целом, удельное электросопротивление представляет собой физическую величину, которая характеризует способность вещества препятствовать тому, чтобы проходил электроток. По СИ измеряется в омах, перемноженных на метры. Зависит от увеличения температуры вещества. Отыскать значение можно по формуле соотношения общего сопротивления и площади поперечного сечения, поделенного на длину проводника. Что касается удельного сопротивления сплавов, согласно изучениям разных ученых состав их непостоянный, может быть изменен под термообработкой.

Источники

https://electrica.info/provoda-i-kabeli/chto-takoe-soprotivlenie-provodnika/
https://microtechnics.ru/tok-napryazhenie-soprotivlenie-zakon-oma/
https://VashTehnik.ru/enciklopediya/soprotivlenie-provodnika.html
https://www.calc.ru/Soprotivleniye-Toka.html
https://rusenergetics.ru/ustroistvo/udelnoe-soprotivlenie

Сущность понятия «сопротивление»

Определение 1
Сопротивление — физическая величина, характеризующая среду (проводник), через которую протекает электрический ток.

С физической точки зрения сопротивление обусловлено тем, что заряженные частицы, перемещаясь от одного конца проводника к другому, сталкиваются с атомами его кристаллической решетки или другими элементарными частицами среды. Поэтому протекание тока в обычных условиях связано с выделением некоторого количества тепла за счет таких соударений, т.е. с потерями энергии.

Замечание 1

При охлаждении проводников до сверхнизких температур в них возникает явление сверхпроводимости, когда сопротивление становится равным нулю.

Готовые работы на аналогичную тему

Курсовая работа Единица измерения сопротивления 460 руб.
Реферат Единица измерения сопротивления 220 руб.
Контрольная работа Единица измерения сопротивления 220 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

Сопротивление зависит от следующих факторов:

материал (например, сопротивление у вольфрама выше, чем у меди);
геометрическая форма (чем длиннее проводник и тоньше его сечение — тем больше сопротивление);
температура (чем она выше, тем больше сопротивление) и т.д.

Из закона Ома сопротивление можно выразить как

$R = \frac{U}{I}$,

где $U$ — напряжение, $I$ — сила тока.